Classificação De Mesofases

De acordo com a anisometria e a organização estrutural de suas moléculas, os CLTs e os CLLs podem apresentar diferentes mesofases dentro de três classes: nemáticas, esméticas e colestéricas. Essa classificação foi feita em 1922 por Friedel e inicialmente foi atribuída apenas aos termotrópicos, por serem, até então, os únicos CLs conhecidos (ECCHER, 2010). Com o descobrimento dos liotrópicos, eles tiveram suas propriedades similarmente identificadas, apesar das diferenças quanto à natureza e ao processo de obtenção. Desse modo, considerando- se apenas as propriedades de simetria macroscópica que caracterizam as mesofases, as teorias moleculares podem ser aplicadas tanto para os CLTs, quanto para os CLLs.

2.2.3.1 Mesofase nemática

Na mesofase nemática, as moléculas possuem ordem posicional de curto alcance, posicionando-se aleatoriamente em relação aos seus centros de massa, e ordem orientacional de longo alcance, orientando-se, em média, com seus eixos maiores de simetria paralelos entre si em uma dada direção preferencial. Podemos associar a essa direção um vetor unitário 𝑛⃗⃗, denominado de “diretor”, sendo as direções 𝑛⃗⃗ e −𝑛⃗⃗ equivalentes (Figura 9). Essa mesofase apresenta fluidez semelhante a de um líquido isotrópico (KROIN, 1985).

Figura 9: Representação esquemática da mesofase nemática (a) calamítica e (b) discótica.

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2.2.3.2 Mesofase esmética

A mesofase esmética, apresentada apenas por CL calamíticos (formato de bastão), é mais organizada que a nemática, e é caracterizada por apresentar moléculas ordenadas em camadas, paralelas entre si, com ordem orientacional bem definida, ao longo de uma direção preferencial dada por 𝑛⃗⃗, e ordem posicional em, pelo menos, uma direção.

Devido às várias possibilidades de organização orientacional e posicional das moléculas no interior das camadas, existem diversos tipos de mesofases esméticas, que podem ser diferenciadas por letras, desde A até K, dependendo se existe ou não ordenamento e arranjo molecular no interior das camadas. Na Figura 10, são representadas as mesofases esmética A e esmética C. Na mesofase esmética A, não existe ordem posicional das moléculas dentro de cada camada, apenas uma ordem orientacional, dada por 𝑛⃗⃗, perpendicular às camadas. Na esmética C também não existe ordem posicional dentro das camadas e as moléculas apresentam um ângulo de inclinação α em relação à normal ao plano das camadas.

Figura 10: Representação esquemática da (a) mesofase esmética A e da (b) mesofase esmética C, na qual as moléculas apresentam um ângulo de inclinação α em relação à normal ao plano das camadas.

Nos CLLs, a mesofase equivalente à esmética é a lamelar, onde as moléculas anfifílicas formam bicamadas intercaladas por água (ECCHER, 2010).

2.2.3.3 Mesofase colunar

Nas mesofases apresentadas pelos CLTs discóticos, denominadas colunares, as moléculas estão empilhadas umas sobre as outras, formando colunas, as quais podem ser ordenadas ou desordenadas, conforme ilustrado pelas Figura 11(a) e 11(b). As colunas, por sua vez, podem se organizar de diversas maneiras, dando origem a mesofases

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colunares hexagonal (Figura 11 c), cúbica, retangular e oblíqua (BUSHBY et al, 2013).

Figura 11: Representação do empacotamento molecular dos CLTs discóticos nas fases colunares (a) ordenada, (b) desordenada e (c) colunar hexagonal com vista superior.

2.2.3.3 Mesofase colestérica

A mesofase colestérica é uma espécie de mesofase nemática composta por moléculas opticamente ativas que apresentam uma direção preferencial média de orientação dada pelo vetor 𝑛⃗⃗. Também é conhecida como mesofase nemática quiral.

Nessa mesofase as moléculas se organizam em camadas, cada uma com sua ordem orientacional, de modo que o vetor 𝑛⃗⃗ segue uma estrutura helicoidal (Figura 12). A distância necessária para que 𝑛⃗⃗ rotacione de um ângulo de 360° ao longo da estrutura é definida como passo da hélice (p).

Por ser muito sensível a variações de temperatura, o passe da hélice pode fazer com que essas mesofases apresentem uma reflexão seletiva da luz. Assim, essas substâncias podem ser utilizadas como sensores de temperatura, uma vez que apresentam mudança de cor (BECHTOLD, 2005). Sugerimos a leitura do artigo “Cristais Líquidos Colestéricos: a quiralidade revela as suas cores” (ELY et al, 2007), publicado pela Química Nova, onde essa propriedade é abordada ao construir um termômetro de CL com mesofase colestérica.

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2.3 PROPRIEDADES ÓPTICAS

Nesta seção serão abordadas propriedades ópticas apresentadas pelos CLs que são de extrema importância para o entendimento do funcionamento de displays.

2.3.1 Polarização

O físico escocês James Clerk Maxwell, ao unificar eletricidade, magnetismo e óptica, mostrou que um raio luminoso é uma onda eletromagnética transversal, composto por um campo elétrico e um magnético que oscilam perpendicularmente entre si e entre a direção de propagação do raio (Figura 13).A princípio, além da luz, apenas os raios infravermelhos e ultravioletas eram ondas eletromagnéticas conhecidas. Hoje em dia, sabemos que existe um amplo espectro eletromagnético, sem limites definidos, e que apenas um pequeno intervalo de comprimentos de onda, de 400 a 700 nm, é visível ao ser humano.

Figura 13: Representação do eixo de propagação de um raio luminoso e de seus planos de vibração elétrica e magnética Fonte: alunosonline.uol.com.br/quimica/luz- polarizada-nao-polarizada.html

A polarização de uma onda eletromagnética pode ser definida de acordo com a direção de oscilação do campo elétrico. Quando essa direção é aleatória, como é o caso, por exemplo, das ondas eletromagnéticas emitidas por uma fonte de luz comum, dizemos que não há polarização. No entanto, é possível polarizar uma luz não polarizada fazendo-a passar por um filtro polarizador, onde as componentes do campo elétrico que forem paralelas à direção de polarização do filtro conseguem atravessá-lo, enquanto as componentes perpendiculares são absorvidas. A luz que sai de um filtro polarizador estará, portanto, polarizada na mesma direção do filtro (Figura 14) e é dita linearmente polarizada. Também é possível polarizar a luz por reflexão e por espalhamento (HALLIDAY, 2009).

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Figura 14: Representação esquemática da polarização da luz na (a) vertical e na (b) horizontal, onde as setas azuis representam a direção de oscilação do campo elétrico.

Quando a luz que incide no filtro polarizador é não polarizada, metade da intensidade (I0) da onda original é perdida e a intensidade (I)

da luz emergente é definida como I=½I0. Se a luz incidente for polarizada,

a intensidade da luz emergente é dada por

I=I0cos2θ. (Lei de Malus)

onde θ é o ângulo entre a direção de polarização da luz incidente e a direção do polarizador. Podemos, portanto, controlar a intensidade da luz emergente por meio de uma combinação entre dois filtros polarizadores.

Se posicionarmos dois filtros de maneira que suas direções de polarização fiquem paralelas (Figura 15 a), toda luz que passa pelo primeiro filtro passará também pelo segundo filtro. Se rotacionarmos um dos filtros em 90º (Figura 15 b), fazendo com que as direções de polarização fiquem perpendiculares (cruzadas), nenhuma luz passará pelo segundo filtro. Também podemos pensar no caso em que as direções de polarização dos filtros formam um ângulo entre 0° e 90° (Figura 16 b), de modo que parte da luz que passa pelo primeiro filtro passará pelo segundo filtro de acordo com a Lei de Malus.

Figura 15: Representação esquemática da polarização da luz com polarizadores (a) paralelos e (b) perpendiculares.

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Figura 16: Imagem de flores vistas através de polarizadores (a) paralelos, (b) cruzados de aproximadamente 45° e (c) cruzados de 90°.

2.3.2 Birrefringência

Quando um feixe luminoso passa de um meio para outro, dizemos que ele sofre refração, ou seja, sua velocidade de propagação varia e pode ocorrer um desvio na sua direção de propagação caso o ângulo de incidência não seja perpendicular à superfície que os separa. Chamamos de índice de refração a relação entre a velocidade da luz no vácuo (c ≈ 3x108 _{m/s) e a velocidade da luz em um determinado meio.}

Substâncias compostas por moléculas anisoméricas que exibem algum tipo de alinhamento, apresentam dois índices de refração, tornando-as birrefringentes. Quando um raio de luz incide sobre o meio, o mesmo pode ser decomposto em dois raios com direções de polarização perpendiculares: o raio ordinário, que tem direção de polarização paralela ao eixo óptico do material, e o raio extraordinário, com polarização perpendicular (TIPLER, 2009).

Vimos anteriormente que nenhuma luz é transmitida através de polarizadores cruzados, no entanto, se colocarmos um material birrefringente entre eles, como um CL numa mesofase ordenada nemática, haverá uma defasagem entre as componentes paralela e perpendicular ao eixo óptico, de modo que a intensidade de luz transmitida pelo segundo polarizador é não nula. A Figura 17 ilustra uma amostra de CL na mesofase nemática confinada entre duas lâminas de vidro (região delimitada pelo retângulo vermelho). Em (a) e (b), onde as direções dos dois polarizadores estão paralelas e com ângulo de 45 graus entre si, é possível ver a imagem da tela do celular. Entretanto, em (c) percebe-se que na região de cruzamento dos polarizadores apenas onde está a amostra de CL a imagem é transmitida.

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Figura 17: Representação de uma amostra de CL confinada entre duas lâminas de vidro (delimitada pelo retângulo vermelho) entre polarizadores (a) paralelos, (b) com ângulo de 45° entre si e (c) cruzados de 90°.

O mesmo efeito pode ser notado quando um pedaço de fita adesiva (durex) é colado sobre uma lâmina de vidro e disposto entre polarizadores cruzados (Figura 18). A fita adesiva também é birrefringente, resultado do processo de fabricação em que o material polimérico que constitui a fita é estirado e assim produz o ordenamento das cadeias poliméricas.

Figura 18: Imagem de flores vistas através de um pedaço quadrado de fita adesiva (durex) entre polarizadores cruzados.

Um equipamento muito utilizado para identificar mesofases líquido-cristalinas é o microscópio óptico de luz polarizada, o qual é constituído de dois polarizadores dispostos ao longo da direção de propagação da luz, com posicionamento da amostra entre eles. Esta situação é idêntica da Figura 17(c), onde o cristal líquido é observado

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entre polarizadores cruzados. Portanto, no modo de transmissão, o microscópio permite a observação ampliada de filmes e películas birrefringentes e com isso é possível identificar texturas ópticas específicas de cada tipo de mesofase. A Figura 19 demonstra as diferenças entre as texturas observadas para uma mesofase esmética A e para uma mesofase colunar hexagonal, onde os domínios orientacionais são característicos de cada uma das mesofases.

Figura 19: Imagens capturadas por um microscópio óptico de luz polarizada com amostras de cristal líquido entre polarizadores cruzados. (a) mesofase esmética A e (b) mesofase colunar hexagonal.

2.4 INFLUÊNCIAS EXTERNAS SOBRE CRISTAIS LÍQUIDOS